CN203150682U - 一种多孔超强耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种多孔超强耦合器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、隔离端A、耦合端、隔离端B。耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少2行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少3列，所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。耦合腔中设置有至少1个沿与输入端的前后向轴线方向的隔离板，且隔离板与耦合腔的上内壁和下内壁连接。本实用新型的超级耦合器具有40%以上的相对工作带宽，同时具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本实用新型可以广泛用于天线阵、相控阵雷达和功率合成、导弹制导、通信等军事及民用领域。

Description

一种多孔超强耦合器

技术领域

本实用新型涉及一种多孔超级耦合器。具体地说，是涉及一种加载有多根柱状体的宽带超级耦合器，即一种多孔超强耦合器。 

背景技术

耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的主要作用是将微波信号按一定的比例进行功率分配；其中波导结构的耦合器由于其本身具有的优点在微波界被广泛应用。金属波导具有导体损耗和介质（管内一般为空气）损耗小、功率容量大、没有辐射损耗、结构简单、易于制造等优点。广泛应用于3000MHz至300GHz的毫米波段通信、雷达、遥感、电子对抗和测量等系统中。波导作为导行系统，在传输过程中传输线路往往需要交叉或跨接。在以往解决此类问题时，通常是通过波导组件来实现，如弯曲波导、扭波导、波导管等组件实现。但是，这种方案通常导致在连接和交叉处需要采用法兰盘连接，导致连接精度的降低和体积的增大。集成波导系统将上述所有元器件集成在一个金属底板上，通过数控铣床，一次加工完成，大大地改善了加工精度，降低了加工难度，并使系统的体积大大缩小。但是，在波导传输线的连接和交叉处，为使两波导交叉通过，通常要两波导错开使之形成立体结构并使用渐变结构才能恢复到处于同一平面内继续传播，这样不但造成交叉处体积增大、损耗增加、电压驻波比增大，还会由于渐变结构的复杂性给加工带来难度。由于脊波导相较于矩形波导的单模工作频带更宽，特性阻抗更低，所以采用脊波导能更好的解决矩形波导带宽相对窄的问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服由于波导跨接、交叉需要立体的复杂结构而造成交叉处体积增大、加工精度降低等一系列问题，提供了一种在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输且带宽级数高的一种多孔超强耦合器。 

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种多孔超强耦合器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、输出端、耦合端、隔离端；输入端和隔离端位于耦合腔的前端面，耦合端和输出端位于耦合腔的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面，隔离端位于输入端的右侧，耦合端位于输出端右侧；耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少2行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少3列；所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接；耦合腔中设置有至少1个沿耦合腔的前后向轴线方向排布的隔离板，且隔离板与耦合腔的上内壁和下内壁连接；沿与输入 端的前后向轴线方向相邻2行柱状体之间存在间隙。 

本实用新型在耦合腔内设置有至少一个贯穿耦合腔上内壁和下内壁的隔离板，在相邻隔离板之间还设置有至少一个柱状体，这样的设置是为了调节耦合腔中信号的不同模式之间的相速与耦合，使得耦合腔中的信号在某些地方增强，在另外一些地方减弱。这样就可以使得95%以上的信号从耦合端输出，而不从输出端输出，从而达到超级耦合的效果。同时，本实用新型在同列柱状体中，相邻柱状体在俯视方向存在高度差。在同列柱状体中，相邻柱状体在与前后向轴线垂直的方向存在宽度差。这样设置以在耦合腔内形成凹凸不平的耦合面，以达到增强耦合的目的，最终得到超级耦合的效果。同时，本实用新型采用独立排布的柱状体，虽然他们之间存在接触，但是实际上其每一个柱状体均是用于调节不同模式之间的相速与耦合，另外相比于整体设计成一个结构的柱状体，其耦合性能明显提高，其原因在于，多个耦合用的柱状体造成的电场要优于一个柱状体造成的电场，其原理与一块磁铁和多块磁铁比较的原理是一致的。在某些位置电场处于加强，某些位置处于减弱状态，因此，可以达到超级耦合的效果。相邻3列柱状体之间形成一个相对于耦合孔的结构，该耦合孔内表面，即相邻3列耦合孔之间的相对面，处于凹凸状态，才能造成具有超级耦合的效果。 

所述耦合腔的左侧面或\和右侧面均设置有至少一个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内或者耦合腔外。金属凸起可以辅助柱状体进一步的提升其工作性能。 

相邻两行柱状体沿输入端的前后向的轴线方向平行 

为了调节耦合效果和进一步展宽器件的工作频带，输入端、输出端、耦合端、隔离端都为脊波导。脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊。

为了改善输入输出端与耦合腔之间的匹配，输入端、输出端、耦合端、隔离端均通过至少一段匹配波导与耦合腔连接。 

为了调节耦合效果，所述匹配波导内设置有与匹配波导内底面连接的金属脊。 

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，输入端的上表面、输出端的上表面、耦合端的上表面、隔离端的上表面、耦合腔的上表面、匹配波导的上表面均位于同一个平面内。 

进一步的，为了调节耦合效果，沿输入端前后向轴线方向的相邻柱状体之间存在零间隙，并且柱状体为金属柱或者为介质柱。作为替代方案，本实用新型中柱状体还可以为其他具备调节耦合性和\或增强带宽性的柱状体。 

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，柱状体在俯视方向上的横截面为圆形或矩形或梯形。 

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，耦合腔、输入端、输出端、耦合端、隔离端均为矩形体。 

为了展宽器件的工作带宽、以及增强其耦合效果使得达到超级耦合的效果，耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少2行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少3列所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。 

耦合腔的宽度沿输入端的轴线方向有至少1次变化。即所述耦合腔的左内侧面和右内侧面均设置有至少一个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内或耦合腔外。金属凸起为任意变化的，可为矩形柱、圆形柱、或其他异形体。 

本实用新型的最大特点是在耦合腔中设置了至少一个隔离板和至少6根柱状体并且柱状体沿前后端面的轴线方向平行，柱状体排列可以不在同一条直线上，通过柱状体调节耦合腔中信号的不同模式之间的相速与耦合，使器件的工作带宽得到大大提高。 

本实用新型的工作原理可以在矩形的耦合腔和矩形的输入端口、输出端口，以及矩形的主波导和副波导作为输入输出波导的情况下简述如下。输入端口在矩形的耦合腔中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入波导（主波导）轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔的另一端，耦合端以及输出端从耦合腔中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率的和。通过选取耦合腔的宽度和长度，以及输入端、输出端、耦合端、隔离端的尺寸和位置，可以使输出端分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差180度，相互抵消，同时使耦合端从两个工作模式耦合出来的功率相位相差0度或360度的整数倍，相互叠加。 这时，基本上所有能量都从耦合端口耦合输出，而不从输出端输出。由于输入端口激励的两个工作模式TE10模式和TE20在隔离端处自然满足反相相消，从隔离端耦合出来的功率都很小。 这时，基本上所有能量都从耦合端输出，而不从输入端反射，也不从输出端和隔离端输出。为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔的形状，特别是宽度沿输入端的轴线可以适当变化，尤其是在耦合腔的底部或顶部增加柱状体。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导。 

上述前后向轴线为由前端面指向后端面的耦合腔轴线。 

本实用新型的优点在于：在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输、宽带级数高。本实用新型的超级耦合器具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本实用新型可以广泛用于天线阵、相控阵雷达和功率合成、导弹制导、通信等军事及民用领域。 

附图说明

图1为本实用新型（去除盖板后）的俯视图。 

图2为实施实例2的俯视图。 

图中的标号分别表示为：1、输入端：2、隔离端A；3、耦合端；4、隔离端B；5、耦合腔；6、加载导体脊；7、匹配波导；8、金属脊；9、柱状体；10、隔离板。 

具体实施方式

实施实例1 

如图1所示，一种多孔超强耦合器，包括耦合腔5，与耦合腔5连通的输入输出端，即与耦合腔5连通的输入端1、隔离端A2、耦合端3、隔离端B4。输入端1和隔离端B4位于耦合腔5的前端面，耦合端3和隔离端A2位于耦合腔5的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面。隔离端B4位于输入端1的右侧，耦合端3位于隔离端A2右侧。耦合腔5中设置有柱状体9，柱状体9沿输入端1的前后向轴线方向排布成3行、且柱状体9沿与输入端1的前后向轴线垂直的方向排布成6列，共16根矩形柱状体9。所述柱状体9与耦合腔5的上内壁或下内壁连接。耦合腔5中设置有2个沿与输入端1的前后向轴线方向的隔离板10，且隔离板10与耦合腔5的上内壁和下内壁连接。沿与输入端1的前后向轴线方向相邻的2行柱状体9之间存在间隙。所述耦合腔5的宽度沿输入端1的轴线方向有4次变化。具体的变化为耦合腔5的左内侧面和右内侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔5内。本实用新型在同列柱状体中，相邻柱状体在俯视方向存在高度差。在同行柱状体中，相邻柱状体在与前后向轴线垂直的方向存在宽度差。

输入端1、隔离端A2、耦合端3、隔离端B4均通过一段匹配波导7与耦合腔5连接。匹配波导7内设置有与匹配波导7内表面连接的金属脊8，金属脊8优先设置在匹配波导7的内底面。输入端1、隔离端A2、耦合端3、隔离端B4都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊6。输入端1的上表面、隔离端A2的上表面、耦合端3的上表面、隔离端B4的上表面、耦合腔5的上表面、匹配波导7的上表面均位于同一个平面内。 

相邻两行柱状体9沿输入端1前后向的轴线方向平行。在本实施例中柱状体9选用金属材料制成的金属柱作为柱状体9的优选方案。同时柱状体9还可以为介质柱。 

柱状体9在俯视方向上的横截面为矩形。耦合腔5、输入端1、隔离端A2、耦合端3、隔离端B4均为矩形体。 

矩形的输入端1在矩形的耦合腔5中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入端1前后向轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔5的另一端，隔离端A2和耦合端3处从耦合腔5中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率和。通过选取耦合腔5 的宽度和长度，以及各输入输出端的尺寸和位置，可以使耦合端3分别从两个工作模式耦合出来的功率之和满足一定设计要求，同时使隔离端B4分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差为180度，相互抵消。 这时，基本上所有能量都从耦合端3输出，而不从输入端1反射，也不从隔离端A2和隔离端B4输出。为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔5的形状以及在耦合腔5内设置隔离板10和柱状体9，使他们为增强耦合和增加带宽服务。特别是宽度沿输入端的轴线可以适当变化和在耦合腔5的底部或顶部增加柱状体9。柱状体9的分布位置也是为了使耦合增强。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导7。 

实施实例2 

如图2所示，与实施实例1的区别仅在于，耦合腔5在宽度上有一次渐变，并且采用了12根横截面为圆形的柱状体9。耦合腔5内有1个隔离板贯穿耦合腔的上内壁和下内壁。输入端和隔离端都增加一级脊波导匹配波导7，并且匹配波导7在宽度上有一次渐变。

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔5的侧面既可以为一根或多根直线段，也可以为光滑曲线，构成俯视方向的矩形、梯形或其他更复杂的图型。柱状体9可以为矩形、圆形、椭圆形、或其他不规则形状。 

如上所述，即可很好的实现本实用新型。 

Claims (10)

1.一种多孔超强耦合器，其特征在于：包括耦合腔（5），与耦合腔（5）连通的输入端（1）、隔离端A(2)、耦合端（3）、隔离端B(4)；输入端（1）和隔离端B(4)位于耦合腔（5）的前端面，耦合端（3）和隔离端A(2)位于耦合腔（5）的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面，隔离端B(4)位于输入端（1）的右侧，耦合端（3）位于隔离端A(2)右侧；耦合腔（5）中设置有柱状体（9），柱状体（9）沿输入端（1）的前后向轴线方向排布成至少2行、且柱状体（9）沿与输入端（1）的前后向轴线垂直的方向排布成至少3列；所述柱状体（9）与耦合腔（5）的上内壁或下内壁连接；耦合腔（5）中设置有至少1个沿耦合腔（5）的前后向轴线方向排布的隔离板（10），且隔离板（10）与耦合腔（5）的上内壁和下内壁连接；沿与输入端（1）的前后向轴线方向相邻的2行柱状体（9）之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：所述耦合腔（5）的左侧面或\和右侧面均设置有至少一个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔（5）内或者耦合腔（5）外。

3.根据权利要求1所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：相邻两行柱状体（9）沿输入端（1）的前后向的轴线方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：输入端（1）、隔离端A(2)、耦合端（3）、隔离端B(4)都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊（6）。

5.根据权利要1所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：输入端（1）、隔离端A(2)、耦合端（3）、隔离端B(4)均通过至少一段匹配波导（7）与耦合腔（5）连接。

6.根据权利要求5所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于，所述匹配波导（7）内设置有与匹配波导（7）内底面连接的金属脊（8）。

7.根据权利要求5-6中任意一项所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：输入端（1）的上表面、隔离端A(2)的上表面、耦合端（3）的上表面、隔离端B(4)的上表面、耦合腔（5）的上表面、匹配波导（7）的上表面均位于同一个平面内。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：沿输入端（1）前后向轴线方向的相邻柱状体（9）之间存在零间隙，并且柱状体（9）为金属柱或者为介质柱。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：柱状体（9）在俯视方向的横截面为圆形或矩形或梯形。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多孔超强耦合器，其特征在于：耦合腔（5）、输入端（1）、隔离端A(2)、耦合端（3）、隔离端B(4)均为矩形体。

Images